more fixes
[lectures/latex.git] / posic / thesis / defects.tex
index 222e4e5..2675ca0 100644 (file)
@@ -119,6 +119,7 @@ The respective relaxation energetics are likewise plotted and look similar to th
 In fact, the same type of interstitial arises using random insertions.
 In addition, variations exist, in which the displacement is only along two \hkl<1 0 0> axes ($E_\text{f}=3.8\,\text{eV}$) or along a single \hkl<1 0 0> axes ($E_\text{f}=3.6\,\text{eV}$) successively approximating the tetdrahedral configuration and formation energy.
 The existence of these local minima located near the tetrahedral configuration seems to be an artifact of the analytical potential without physical authenticity revealing fundamental problems of analytical potential models for describing defect structures.
+% todo - energy barrier of what ?!?!
 However, the energy barrier is small.
 \begin{figure}[tp]
 \begin{center}
@@ -401,16 +402,75 @@ However, strictly speaking, the Kohn-Sham levels and orbitals do not have a dire
 \begin{figure}[tp]
 \begin{center}
 \begin{minipage}{8cm}
-\includegraphics[width=8cm]{c_pd_vasp/bc_2333.eps}\\
+\begin{center}
+\includegraphics[width=6cm]{c_pd_vasp/bc_2333.eps}\\
+\vspace*{0.2cm}
 \hrule
 \vspace*{0.2cm}
-\includegraphics[width=8cm]{c_100_mig_vasp/im_spin_diff.eps}
+\includegraphics[width=6cm]{c_100_mig_vasp/im_spin_diff.eps}
+\vspace*{0.2cm}
+\framebox{
+ \footnotesize
+ \begin{minipage}[t]{7.5cm}
+  \begin{minipage}[t]{1.4cm}
+  {\color{red}Si}\\
+  {\tiny sp$^3$}\\[0.8cm]
+  \underline{${\color{black}\uparrow}$}
+  \underline{${\color{black}\uparrow}$}
+  \underline{${\color{black}\uparrow}$}
+  \underline{${\color{red}\uparrow}$}\\
+  sp$^3$
+  \end{minipage}
+  \begin{minipage}[t]{1.6cm}
+  \begin{center}
+  {\color{red}M}{\color{blue}O}\\[0.8cm]
+  \underline{${\color{blue}\uparrow}{\color{white}\downarrow}$}\\
+  $\sigma_{\text{ab}}$\\[0.5cm]
+  \underline{${\color{red}\uparrow}{\color{blue}\downarrow}$}\\
+  $\sigma_{\text{b}}$
+  \end{center}
+  \end{minipage}
+  \begin{minipage}[t]{1.2cm}
+  \begin{center}
+  {\color{blue}C}\\
+  {\tiny sp}\\[0.2cm]
+  \underline{${\color{white}\uparrow\uparrow}$}
+  \underline{${\color{white}\uparrow\uparrow}$}\\
+  2p\\[0.4cm]
+  \underline{${\color{blue}\uparrow}{\color{blue}\downarrow}$}
+  \underline{${\color{blue}\uparrow}{\color{blue}\downarrow}$}\\
+  sp
+  \end{center}
+  \end{minipage}
+  \begin{minipage}[t]{1.6cm}
+  \begin{center}
+  {\color{blue}M}{\color{green}O}\\[0.8cm]
+  \underline{${\color{blue}\uparrow}{\color{white}\downarrow}$}\\
+  $\sigma_{\text{ab}}$\\[0.5cm]
+  \underline{${\color{green}\uparrow}{\color{blue}\downarrow}$}\\
+  $\sigma_{\text{b}}$
+  \end{center}
+  \end{minipage}
+  \begin{minipage}[t]{1.4cm}
+  \begin{flushright}
+  {\color{green}Si}\\
+  {\tiny sp$^3$}\\[0.8cm]
+  \underline{${\color{green}\uparrow}$}
+  \underline{${\color{black}\uparrow}$}
+  \underline{${\color{black}\uparrow}$}
+  \underline{${\color{black}\uparrow}$}\\
+  sp$^3$
+  \end{flushright}
+  \end{minipage}
+ \end{minipage}
+}
+\end{center}
 \end{minipage}
 \begin{minipage}{7cm}
 \includegraphics[width=7cm]{c_pd_vasp/bc_2333_ksl.ps}
 \end{minipage}
 \end{center}
-\caption[Structure, charge density isosurface and Kohn-Sham level diagram of the bond-centered interstitial configuration.]{Structure, charge density isosurface and Kohn-Sham level diagram of the bond-centered interstitial configuration. Gray, green and blue surfaces mark the charge density of spin up, spin down and the resulting spin up electrons in the charge density isosurface, in which the carbon atom is represented by a red sphere. In the energy level diagram red and green lines mark occupied and unoccupied states.}
+\caption[Structure, charge density isosurface, molecular orbital diagram and Kohn-Sham level diagram of the bond-centered interstitial configuration.]{Structure, charge density, molecular orbital diagram isosurface and Kohn-Sham level diagram of the bond-centered interstitial configuration. Gray, green and blue surfaces mark the charge density of spin up, spin down and the resulting spin up electrons in the charge density isosurface, in which the carbon atom is represented by a red sphere. In the energy level diagram red and green lines mark occupied and unoccupied states.}
 \label{img:defects:bc_conf}
 \end{figure}
 In the BC insterstitial configuration the interstitial atom is located in between two next neighbored Si atoms forming linear bonds.
@@ -430,7 +490,6 @@ The other two electrons constitute the $2p^2$ orbitals resulting in a net magnet
 This is supported by the charge density isosurface and the Kohn-Sham levels in Fig. \ref{img:defects:bc_conf}.
 The blue torus, which reinforces the assumption of the $p$ orbital, illustrates the resulting spin up electron density.
 In addition, the energy level diagram shows a net amount of two spin up electrons.
-% todo smaller images, therefore add mo image
 
 \section{Migration of the carbon interstitial}
 \label{subsection:100mig}
@@ -441,8 +500,10 @@ In the following, the problem of interstitial C migration in Si is considered.
 Since the \ci{} \hkl<1 0 0> DB is the most probable, hence, most important configuration, the migration of this defect atom from one site of the Si host lattice to a neighboring site is in the focus of investigation.
 \begin{figure}[tp]
 \begin{center}
+%
 \begin{minipage}{15cm}
-\underline{\hkl<0 0 -1> $\rightarrow$ \hkl<0 0 1>}\\
+\centering
+\framebox{\hkl<0 0 -1> $\rightarrow$ \hkl<0 0 1>}\\
 \begin{minipage}{4.5cm}
 \includegraphics[width=4.5cm]{c_pd_vasp/100_2333.eps}
 \end{minipage}
@@ -458,9 +519,11 @@ $\rightarrow$
 \begin{minipage}{4.5cm}
 \includegraphics[width=4.5cm]{c_pd_vasp/100_next_2333.eps}
 \end{minipage}
-\end{minipage}\\
+\end{minipage}\\[0.5cm]
+%
 \begin{minipage}{15cm}
-\underline{\hkl<0 0 -1> $\rightarrow$ \hkl<0 -1 0>}\\
+\centering
+\framebox{\hkl<0 0 -1> $\rightarrow$ \hkl<0 -1 0>}\\
 \begin{minipage}{4.5cm}
 \includegraphics[width=4.5cm]{c_pd_vasp/100_2333.eps}
 \end{minipage}
@@ -476,9 +539,11 @@ $\rightarrow$
 \begin{minipage}{4.5cm}
 \includegraphics[width=4.5cm]{c_pd_vasp/0-10_2333.eps}
 \end{minipage}
-\end{minipage}\\
+\end{minipage}\\[0.5cm]
+%
 \begin{minipage}{15cm}
-\underline{\hkl<0 0 -1> $\rightarrow$ \hkl<0 -1 0> (in place)}\\
+\centering
+\framebox{\hkl<0 0 -1> $\rightarrow$ \hkl<0 -1 0> (in place)}\\
 \begin{minipage}{4.5cm}
 \includegraphics[width=4.5cm]{c_pd_vasp/100_2333.eps}
 \end{minipage}
@@ -522,22 +587,7 @@ The bond to the face-centered Si atom at the bottom of the unit cell breaks and
 
 \begin{figure}[tp]
 \begin{center}
-\includegraphics[width=13cm]{im_00-1_nosym_sp_fullct_thesis.ps}\\[1.5cm]
-\begin{picture}(0,0)(150,0)
-\includegraphics[width=2.5cm]{vasp_mig/00-1.eps}
-\end{picture}
-\begin{picture}(0,0)(-10,0)
-\includegraphics[width=2.5cm]{vasp_mig/bc_00-1_sp.eps}
-\end{picture}
-\begin{picture}(0,0)(-120,0)
-\includegraphics[width=2.5cm]{vasp_mig/bc.eps}
-\end{picture}
-\begin{picture}(0,0)(25,20)
-\includegraphics[width=2.5cm]{110_arrow.eps}
-\end{picture}
-\begin{picture}(0,0)(200,0)
-\includegraphics[height=2.2cm]{001_arrow.eps}
-\end{picture}
+\includegraphics[width=0.7\textwidth]{im_00-1_nosym_sp_fullct_thesis_vasp_s.ps}
 \end{center}
 \caption[Migration barrier and structures of the \hkl<0 0 -1> DB (left) to BC (right) transition.]{Migration barrier and structures of the \hkl<0 0 -1> DB (left) to BC (right) transition. Bonds of the C atom are illustrated by blue lines.}
 \label{fig:defects:00-1_001_mig}
@@ -551,7 +601,7 @@ In a second process \unit[0.25]{eV} of energy are needed for the system to rever
 \begin{center}
 \includegraphics[width=0.7\textwidth]{00-1_0-10_vasp_s.ps}
 \end{center}
-\caption[Migration barrier and structures of the \hkl<0 0 -1> DB (left) to the \hkl<0 -1 0> DB (right) transition.]{Migration barrier and structures of the \hkl[0 0 -1] DB (left) to the \hkl[0 -1 0] DB (right) transition. Bonds of the C atom are illustrated by blue lines. {\color{red} Prototype design, adjust related figures!}}
+\caption[Migration barrier and structures of the \hkl<0 0 -1> DB (left) to the \hkl<0 -1 0> DB (right) transition.]{Migration barrier and structures of the \hkl[0 0 -1] DB (left) to the \hkl[0 -1 0] DB (right) transition. Bonds of the C atom are illustrated by blue lines.}
 % todo read above caption! enable [] hkls in short caption
 \label{fig:defects:00-1_0-10_mig}
 \end{figure}
@@ -560,22 +610,7 @@ The resulting migration barrier of approximately \unit[0.9]{eV} is very close to
 
 \begin{figure}[tp]
 \begin{center}
-\includegraphics[width=13cm]{vasp_mig/00-1_ip0-10_nosym_sp_fullct.ps}\\[1.8cm]
-\begin{picture}(0,0)(140,0)
-\includegraphics[width=2.2cm]{vasp_mig/00-1_b.eps}
-\end{picture}
-\begin{picture}(0,0)(20,0)
-\includegraphics[width=2.2cm]{vasp_mig/00-1_ip0-10_sp.eps}
-\end{picture}
-\begin{picture}(0,0)(-120,0)
-\includegraphics[width=2.2cm]{vasp_mig/0-10_b.eps}
-\end{picture}
-\begin{picture}(0,0)(25,20)
-\includegraphics[width=2.5cm]{100_arrow.eps}
-\end{picture}
-\begin{picture}(0,0)(200,0)
-\includegraphics[height=2.2cm]{001_arrow.eps}
-\end{picture}
+\includegraphics[width=0.7\textwidth]{00-1_ip0-10_nosym_sp_fullct_vasp_s.ps}
 \end{center}
 \caption[Reorientation barrier and structures of the \hkl<0 0 -1> DB (left) to the \hkl<0 -1 0> DB (right) transition in place.]{Reorientation barrier and structures of the \hkl<0 0 -1> DB (left) to the \hkl<0 -1 0> DB (right) transition in place. Bonds of the carbon atoms are illustrated by blue lines.}
 \label{fig:defects:00-1_0-10_ip_mig}
@@ -691,7 +726,7 @@ For this reason, the assumption that C diffusion and reorientation is achieved b
 %\includegraphics[height=2.2cm]{010_arrow.eps}
 %\end{picture}
 \end{center}
-\caption[Migration barrier and structures of the \ci{} BC to \hkl<0 0 -1> DB transition using the classical EA potential.]{Migration barrier and structures of the \ci{} BC to \hkl[0 0 -1] DB transition using the classical EA potential. Two migration pathways are obtained for different time constants of the Berendsen thermostat. The lowest activation energy is \unit[2.2]{eV}. {\color{red} Prototype design, adjust related figures!}}
+\caption[Migration barrier and structures of the \ci{} BC to \hkl<0 0 -1> DB transition using the classical EA potential.]{Migration barrier and structures of the \ci{} BC to \hkl[0 0 -1] DB transition using the classical EA potential. Two migration pathways are obtained for different time constants of the Berendsen thermostat. The lowest activation energy is \unit[2.2]{eV}.}
 \label{fig:defects:cp_bc_00-1_mig}
 % red: ./visualize -w 640 -h 480 -d saves/c_in_si_mig_bc_00-1_s20 -nll -0.56 -0.56 -0.7 -fur 0.2 0.2 0.0 -c 0.75 -1.25 -0.25 -L -0.25 -0.25 -0.25 -r 0.6 -B 0.1
 % blue: ./visualize -w 640 -h 480 -d saves/c_in_si_mig_bc_00-1_s20_tr100/ -nll -0.56 -0.56 -0.7 -fur 0.2 0.2 0.0 -c 0.0 -0.25 1.0 -L 0.0 -0.25 -0.25 -r 0.6 -B 0.1
@@ -711,25 +746,7 @@ Thus, the activation energy should be located within the range of \unit[2.2-2.7]
 
 \begin{figure}[tp]
 \begin{center}
-\includegraphics[width=13cm]{00-1_0-10.ps}\\[2.4cm]
-\begin{pspicture}(0,0)(0,0)
-\psframe[linecolor=red,fillstyle=none](-6,-0.5)(7.2,2.8)
-\end{pspicture}
-\begin{picture}(0,0)(130,-10)
-\includegraphics[width=2.2cm]{albe_mig/00-1_0-10_red_00.eps}
-\end{picture}
-\begin{picture}(0,0)(0,-10)
-\includegraphics[width=2.2cm]{albe_mig/00-1_0-10_red_min.eps}
-\end{picture}
-\begin{picture}(0,0)(-120,-10)
-\includegraphics[width=2.2cm]{albe_mig/00-1_0-10_red_03.eps}
-\end{picture}
-\begin{picture}(0,0)(25,10)
-\includegraphics[width=2.5cm]{100_arrow.eps}
-\end{picture}
-\begin{picture}(0,0)(185,-10)
-\includegraphics[height=2.2cm]{001_arrow.eps}
-\end{picture}
+\includegraphics[width=0.7\textwidth]{00-1_0-10_albe_s.ps}
 \end{center}
 \caption{Migration barrier and structures of the \ci{} \hkl<0 0 -1> to \hkl<0 -1 0>  DB transition using the classical EA potential.}
 % red: ./visualize -w 640 -h 480 -d saves/c_in_si_mig_00-1_0-10_s20 -nll -0.56 -0.56 -0.8 -fur 0.3 0.2 0 -c -0.125 -1.7 0.7 -L -0.125 -0.25 -0.25 -r 0.6 -B 0.1
@@ -1461,6 +1478,7 @@ Si atoms 1 and 2, which form the initial DB, occupy Si lattice sites in the fina
 These results support the above assumptions of an increased entropic contribution to structural formation involving C$_{\text{s}}$ to a greater extent.
 
 % link to migration of \si{}!
+% todo - make it a subsection
 The possibility for separated configurations of \cs{} and \si{} becomes even more likely if one of the constituents exhibits a low barrier of migration.
 In this case, the \si{} is assumed to constitute the mobile defect compared to the stable \cs{} atom.
 Thus, migration paths of \si{} are investigated in the following excursus.
@@ -1590,6 +1608,8 @@ Thus, a proper description with respect to the relative energies of formation is
 
 \section{Conclusions concerning the SiC conversion mechanism}
 
+\ifnum1=0
+
 Obtained results for separated point defects in Si are in good agreement to previous theoretical work on this subject, both for intrinsic defects \cite{leung99,al-mushadani03} as well as for C point defects \cite{dal_pino93,capaz94}.
 The ground-state configurations of these defects, i.e. the Si$_{\text{i}}$ \hkl<1 1 0> and C$_{\text{i}}$ \hkl<1 0 0> DB, are reproduced and compare well to previous findings of theoretical investigations on Si$_{\text{i}}$ \cite{leung99,al-mushadani03} as well as theoretical \cite{dal_pino93,capaz94,burnard93,leary97,jones04} and experimental \cite{watkins76,song90} studies on C$_{\text{i}}$.
 A quantitatively improved activation energy of \unit[0.9]{eV} for a qualitatively equal migration path based on studies by Capaz et.~al.~\cite{capaz94} to experimental values \cite{song90,lindner06,tipping87} ranging from \unit[0.70-0.87]{eV} reinforce their derived mechanism of diffusion for C$_{\text{i}}$ in Si
@@ -1638,9 +1658,9 @@ In addition, a rather small activation energy of \unit[0.77]{eV} allows for the
 Thus, elevated temperatures might lead to thermodynamically unstable configurations of C$_{\text{s}}$ and a remaining Si atom in the near interstitial lattice, which is supported by the result of an {\em ab initio} molecular dynamics run.
 %Thus, due to missing attractive interaction forces driving the system to form C-Si \hkl<1 0 0> dumbbell interstitial complexes substitutional C, while thermodynamically not stable, constitutes a most likely configuration occuring in IBS, a process far from equlibrium.
 
-% todo
-% maybe move above stuff to conclusion chapter, at least shorten!
-% see remember in sic chapter
+\fi
+
+% todo - sync with conclusion chapter
 
 These findings allow to draw conclusions on the mechanisms involved in the process of SiC conversion in Si.
 Agglomeration of C$_{\text{i}}$ is energetically favored and enabled by a low activation energy for migration.